Amit (Amide)

Cấu trúc chung:

Công thức chung của một amit đơn giản là:

$R-C(=O)-NR’_2$

Trong đó:

• R và R’ có thể là nguyên tử hydro hoặc nhóm alkyl/aryl. Sự thay đổi các nhóm R và R’ sẽ tạo ra các amit khác nhau với tính chất vật lý và hóa học đa dạng.
• Nếu cả hai R’ đều là hydro, amit được gọi là amit chính (primary amide).
• Nếu một trong hai R’ là hydro, amit được gọi là amit thứ cấp (secondary amide).
• Nếu cả hai R’ đều là nhóm alkyl/aryl, amit được gọi là amit bậc tam (tertiary amide). Việc phân loại này giúp dễ dàng nhận biết và gọi tên các loại amit khác nhau.

Danh pháp

Tên của amit được đặt bằng cách thay đuôi “-oic” của axit cacboxylic tương ứng bằng đuôi “-amit”. Ví dụ:

• $CH_3-C(=O)-NH_2$: Axit axetic → Acetamit (hay ethanamit)
• $H-C(=O)-NH_2$: Axit formic → Formamide (hay methanamit)
• $CH_3CH_2-C(=O)-NH_2$: Axit propanoic → Propanamit

Đối với amit thứ cấp và bậc tam, các nhóm alkyl gắn với nitơ được đặt tên trước, kèm theo chữ “N-“. Ví dụ:

• $CH_3-C(=O)-NHCH_3$: N-Metylacetamit
• $CH_3-C(=O)-N(CH_3)_2$: N,N-Đimetylacetamit

Tính chất

• Điểm sôi: Amit thường có điểm sôi cao hơn so với các hợp chất tương ứng do khả năng tạo liên kết hydro giữa các phân tử amit. Amit chính có điểm sôi cao nhất do có thể tạo liên kết hydro ở cả nguyên tử nitơ và nguyên tử oxy. Điều này giải thích tại sao nhiều amit tồn tại ở trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng.
• Tính bazơ: Amit là bazơ yếu hơn amin do hiệu ứng hút electron của nhóm cacbonyl làm giảm mật độ electron trên nguyên tử nitơ.
• Phản ứng thủy phân: Amit có thể bị thủy phân thành axit cacboxylic và amin trong môi trường axit hoặc bazơ. Phản ứng này là phản ứng nghịch của phản ứng tạo amit từ axit cacboxylic và amin.

Điều chế

Amit có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp, bao gồm:

• Phản ứng giữa axit cacboxylic và amin: Đây là một phương pháp phổ biến để tổng hợp amit.
  $R-C(=O)-OH + R’NH_2 \rightarrow R-C(=O)-NHR’ + H_2O$
• Phản ứng giữa anhydrit axit và amin: Phương pháp này thường cho hiệu suất cao hơn so với phản ứng với axit cacboxylic.
  $(R-C(=O))_2O + 2R’NH_2 \rightarrow 2R-C(=O)-NHR’ + H_2O$
• Phản ứng giữa clorua axit và amin: Đây là phương pháp hiệu quả nhất do clorua axit có hoạt tính cao.
  $R-C(=O)-Cl + 2R’NH_2 \rightarrow R-C(=O)-NHR’ + R’NH_3Cl$

Ứng dụng

Amit có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống và công nghiệp, bao gồm:

• Polime: Nhiều loại polime quan trọng chứa liên kết amit, chẳng hạn như nylon (một loại polyamit), protein và peptit. Chính liên kết amit tạo nên cấu trúc bền vững cho các loại vật liệu này.
• Dược phẩm: Một số loại thuốc chứa nhóm chức amit, ví dụ như paracetamol (acetaminophen). Nhóm amit thường đóng vai trò quan trọng trong hoạt tính sinh học của thuốc.
• Dung môi: Một số amit như dimetylformamit (DMF) được sử dụng làm dung môi trong các phản ứng hóa học nhờ khả năng hòa tan tốt nhiều chất hữu cơ và vô cơ.
• Phân bón: Urea, một loại diamit, là một loại phân bón nitơ quan trọng cung cấp nitơ cho cây trồng.

Các loại amit đặc biệt

• Lactam: Là amit mạch vòng được tạo thành từ amino axit. Vòng lactam được hình thành khi nhóm amin phản ứng với nhóm cacboxyl trong cùng một phân tử. Ví dụ, caprolactam là nguyên liệu quan trọng để sản xuất nylon-6.
• Urea: $H_2N-C(=O)-NH_2$. Đây là một diamit của axit cacbonic, là sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển hóa protein ở động vật có vú. Urea được sử dụng rộng rãi làm phân bón và trong sản xuất nhựa.
• Peptit và protein: Peptit và protein là các polime được tạo thành từ các amino axit liên kết với nhau bằng liên kết peptit (một loại liên kết amit). Liên kết peptit được hình thành giữa nhóm cacboxyl của một amino axit và nhóm amin của amino axit tiếp theo.

Phản ứng đặc trưng của amit

• Thủy phân: Như đã đề cập, amit có thể bị thủy phân trong môi trường axit hoặc bazơ để tạo thành axit cacboxylic và amin tương ứng.
  • Phản ứng thủy phân trong môi trường axit:
    $R-C(=O)-NR’_2 + H_2O + H^+ \rightarrow R-C(=O)-OH + R’_2NH_2^+$
• Khử hóa: Amit có thể bị khử hóa bằng các chất khử mạnh như $LiAlH_4$ để tạo thành amin.
  $R-C(=O)-NR’_2 + 4[H] \rightarrow R-CH_2-NR’_2 + H_2O$
• Phản ứng Hofmann: Amit chính phản ứng với brom trong môi trường kiềm để tạo thành amin bậc một có ít hơn một nguyên tử cacbon so với amit ban đầu.
  $R-C(=O)-NH_2 + Br_2 + 4OH^- \rightarrow R-NH_2 + CO_3^{2-} + 2Br^- + 2H_2O$

Một số amit quan trọng

• Formamit (Methanamit): $H-C(=O)-NH_2$. Là amit đơn giản nhất, được sử dụng làm dung môi và chất trung gian trong tổng hợp hữu cơ.
• Acetamit (Ethanamit): $CH_3-C(=O)-NH_2$. Được sử dụng làm chất làm dẻo, dung môi và chất trung gian trong tổng hợp hữu cơ.
• N,N-Đimetylformamit (DMF): $H-C(=O)-N(CH_3)_2$. Là một dung môi aprotic cực, được sử dụng rộng rãi trong các phản ứng hóa học.
• N,N-Đimetylacetamit (DMAc): $CH_3-C(=O)-N(CH_3)_2$. Cũng là một dung môi aprotic cực, có điểm sôi cao hơn DMF.

Amit là một nhóm hợp chất hữu cơ quan trọng với nhiều tính chất và ứng dụng đa dạng. Hiểu biết về cấu trúc, tính chất và phương pháp điều chế amit là cần thiết cho việc nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất polime, dược phẩm đến công nghiệp hóa chất.

• Vollhardt, K. P. C., & Schore, N. E. (2018). Organic Chemistry: Structure and Function. W. H. Freeman and Company.
• Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., & Wothers, P. (2012). Organic Chemistry. Oxford University Press.
• McMurry, J. (2016). Organic Chemistry. Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt về tính chất vật lý (như điểm sôi, độ tan) giữa amit chính, thứ cấp và đệ tam là gì? Giải thích nguyên nhân của sự khác biệt này.

Trả lời: Amit chính thường có điểm sôi và độ tan trong nước cao nhất trong ba loại amit. Điều này là do amit chính có thể tạo liên kết hydro với nhau thông qua cả nguyên tử nitơ và nguyên tử oxy. Amit thứ cấp chỉ có thể tạo liên kết hydro thông qua nguyên tử oxy, trong khi amit đệ tam không thể tạo liên kết hydro giữa các phân tử amit với nhau. Do đó, khả năng tạo liên kết hydro giảm dần từ amit chính sang amit thứ cấp và đệ tam, dẫn đến điểm sôi và độ tan cũng giảm theo.

Phản ứng Hofmann có ứng dụng gì trong tổng hợp hữu cơ? Cho một ví dụ cụ thể.

Trả lời: Phản ứng Hofmann được sử dụng để chuyển amit chính thành amin bậc một có ít hơn một nguyên tử cacbon. Phản ứng này hữu ích trong việc rút ngắn mạch cacbon của một hợp chất. Ví dụ, từ hexanamit ($CH_3(CH_2)_4CONH_2$), ta có thể điều chế pentylamin ($CH_3(CH_2)_4NH_2$) thông qua phản ứng Hofmann.

Tại sao amit là bazơ yếu hơn amin?

Trả lời: Trong amit, cặp electron không chia trên nguyên tử nitơ tham gia vào sự liên hợp với nhóm cacbonyl (C=O). Điều này làm giảm mật độ electron trên nguyên tử nitơ, khiến cho amit kém có khả năng nhận proton và trở thành bazơ yếu hơn so với amin, nơi cặp electron không chia trên nguyên tử nitơ không tham gia vào sự liên hợp.

Ngoài nylon, hãy kể tên một số polime khác chứa liên kết amit và ứng dụng của chúng.

Trả lời: Một số polime khác chứa liên kết amit bao gồm:

• Protein: Là polime của amino axit, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và chức năng của sinh vật.
• Kevlar: Là một loại poliamit thơm có độ bền cao, được sử dụng trong sản xuất áo chống đạn, lốp xe và các vật liệu composite.
• Polyurethane: Chứa liên kết urethane (một loại liên kết amit), được sử dụng rộng rãi trong sản xuất xốp, sơn, keo dán và elastomer.

Lactam có cấu trúc và tính chất gì đặc biệt so với amit mạch hở?

Trả lời: Lactam là amit mạch vòng. Cấu trúc vòng này tạo ra một số khác biệt về tính chất so với amit mạch hở. Ví dụ, vòng lactam có thể bị căng góc, ảnh hưởng đến độ bền và khả năng phản ứng của liên kết amit. Kích thước của vòng lactam cũng ảnh hưởng đến tính chất của nó. Ví dụ, β-lactam (vòng 4 cạnh) có tính phản ứng cao hơn so với các lactam vòng lớn hơn do sự căng góc lớn. Một số lactam có hoạt tính sinh học quan trọng, ví dụ như β-lactam có trong kháng sinh penicillin.